-
Meßanordnung Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zum Messen
einer oder mehrerer Eigenschaften eines dielektrischen Materiales durch Verwendung
einer Abfühleinrichtung, die eine Sonde mit im Abstand voneinander angeordneten
Elektroden aufweist, um daß Material an eine elektrische Energiequelle und an eine
Anzeigevorrichtung für die elektrischen Eigenschaften des Materiales anzuschließen.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Gerät mit einer weiteren Abfühleinrichtung
zur Anzeige einer aus dem'Material austretenden infraroten Strahlung, und auf eine
Vorrichtung, bei der Informationen, die in den Signalen enthalten sind, welche sowohl
durch die elektrische Anzeigevorrichtung als auch die Infrarotstrahlungsanzeigevorrichtung
erzeugt
werden, durch ein entsprechendes, die Signale verarbeitendes Gerät so kombiniert
werden, daß eine genauere Messung der Eigenschaft bzw. der Eigenschaften des zu
untersuchenden Materiales erhalten wird.
-
Die grundsätzliche Anwendung solcher Geräte liegt auf dem Gebiete
der Messung des Feuchtigkeitsgehaltes von festen Körpern und der Messung der Zusammensetzung
von Flüssigkeiten, obgleich sie in gewissem Umfang auch für die Messung der Masse
pro Längeneinheit, pro Flächeneinheit oder pro Raumeinheit der Materialien verwendet
werden. Sie hängen in ihrer Betriebsweise von der Beziehung zwischen der an die
im Abstand voneinander angeordneten Elektroden angelegten Spannung und dem elektrischen
Strom durch die Sondenschaltung aufgrund der angelegten Spannung ab.
-
Bei einem einfachen Gerät wird die an die Sone angelegte Spannung
von einer mit Gleichstrom oder gleicherichtetem Strom betriebenen Speisequelle abgenommen
und der sich ergebende Strom durch die Sonde ist umgekehrt proportional dem einfachen
Ohm'schen Widerstand des Matiriales. Damit eine vollständigere Information erhalten
wird, wird jedoch im allgemeinen an die Sonde eine Spannung angelegt, die mit einer
einzigen Frequenz, einer Vielzahl von verschiedenen Frequenzen oder einer sich kontinuirlich
ändernden Frequenz oszilliert, wobei der Strom durch die Sonde sowohl eine Komponente
in Phase mit der angelegten Spannung als auch eine quadratische Komponente enthält.
-
Dieser komplexe Strom ist dem physikalischen Gesetz der komplexen
Dielektrizitätskonstanten zugeordnet, das einen reellen Teil, der von der makroskopisohen
Polarisation des Materiales abhängt und für die quadratische Komponente des Stromes
durch die Sonde verantwortlich ist, und einen imaginären Teil, der
von
der makroskopischen Verschiebung von Ladungsträgern durch das Material abhängt und
für den in Phase liegenden Strom durch die Sonde verantwortlich ist, aufweist.
-
Während zu Bezugs% wecken für eine bestimmte dielektrische Zusammensetzung
des Materiales ein Wert für die Dielektrizitätskonstante angegeben werden kann,
muß eine solche Angabe die Frequenz der angelegten Spannung und die Temperatur des
Materiales enthalten. Das heißt, die sogenannte Dielektrizitätskonstante ist nicht
konstant, sondern sowohl der reelle als auch der imaginäre Teil sind Schwankungen
mit der Frequenz und der Temperatur wie auch mit der Zusammensetzung des Materiales
unterworfen.
-
Der Einfluß von Materialtemperaturänderungen auf Geräte zur Messung
der Eigenschaften von dielektrischen Materialien ist seit vielen Jahren bekannt.
Bei der Messung dielektrischer Flüssigkeiten werden die Sondenelektroden in die
Blüssigkeit eingetaucht und eine ziemlich einfache Vorrichtung zur Temr -ra turkompensation
kann dadurch vorgesehen werden, daß ein -meter in die Flüssigkeit getaucht und ein
auf Temperatur ansprechendes Signal verwendet wird, um das Gerät gegen Temperaturänderungen,
die in der Flüssigkeit selbst auftreten, zu kompensieren. Derartige Anordnungen
sind beispielsw ise in den US-Patentschriften 2.588.882 und 2.985.825 beschrieben0
Bei Geräten zur Messung fester Materialien, bei denen die Elektroden außen in unmittelbarer
Bähe oder in Berührung mit dem Material angeordnet sind, wird gewöhnlicherweise
eine Umgebungstemperaturabfühleinrichtung der Sonde zugeordnet oder in der Nähe
des Gerätes angebracht, damit die Temperaturkompen
sation vorgenommen
werden kann. Eine typische Anordnung dieser Art ist in der US-I>atentschrift
2.718.619 erläutert.
-
Bei Geräten der vorbeschriebenen Art, bei denen es notwendig oder
zweckmäßig ist, die Temperaturabfuhleinrichtung in einer äußeren Umgebung zum gemessenen
Material anzuordnen, ergibt sich ein relativ hoher Grad an Ungenauigkeit daraus,
daß die Abfühleinrichtung für die Außentemperatur nicht notwendigerweise die Temperatur
anzeigt, die innerhalb des gemessenen Materiales selbst herrscht. Dies trifft besonders
in jenen Fällen zu, in denen das Material auf eine Tempratur oberhalb oder unterhalb
der Umgebungstemperaturen aufgeheizt oder abgekühlt wird, bei denen die Meßvorrichtung
normalerweise betrieben wird. Beispiele für solche Zustände finden sich bei der
Herstellung von Papier, Textilien oder Tabakprodukten, wo die besonders zweckmäßige
Punktion einer Feuchtigkeitsmeßvorrichtuq darin besteht, die Arbeitsweise eines
Trockners zu überwachen oder zu steuern, der das Material aufheizt, um die im Material
vorhandene Feuchtigkeit zu entfernen, Man hat auch festgestellt, daß der Temperaturunterschied
zwischen dem Material und der Umgebung der Abfühleinrichtung für die Außentemperatur
aus verschiedenen Gründen nicht vorausgesagt werden kann. Zum Beispiel ist es erwünscht,
die Meßvorrichtung mit ihrer Sonde in Reibeingriff mit dem durchwandernden Material
zu betreiben, so dat eine Temperaturabfühleinrichtung, die der Sonde zugeordnet
ist, bis zu einem gewissen Grad durch die auftretende Reibung erwärmt wird.
-
Vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät der vorbeschriebenen Art
zur Verwendung unter Bedingungen, bei denen die Temperaturabfühleinrichtung
in
einer Umgebung außerhalb des zu messenden Materiales angebracht sein muß. Die Erfindung
beruht auf dem Prinzip, daß die tatsächliche Temperatur des Materiales am besten
aus einer entfernt liegenden Stelle abgeleitet wird, indem die Infrarotstrahlung,
die aus dem Material austritt, angezeigt wird. Bei der normalen dielektrischen Messung
jedoch wird die einfache Anwendung dieses Prinsipes dadurch komplizierter, daß die
Temperatur des Materiales nicht erheblich von der Umgebungstemperatur abweicht.
Bei den bekannten zur Verfügung stehenden und wirtschaftlich praktischen Infrarotstrahlungsanzeigevorrichtungen
läßt sich eine selektive Auflösung jener Wellenlängen oder Photonenenergien der
Strahlung nicht erreichen, die aus dem Material gegen den Hintergrund einer ähnlichen
Strahlung austreten, welche von Gegenständen in der Umgebung der Anzeigevorrichtung
emittiert werden. In der Praxis ist die Verwendung von einfachen thermoelektrischen
Vorrichtungen oder temperaturabhängigen Impedanzen notwendig, die einfach auf Änderungen
ihrer Körpertemperatur ansprechen.
-
Damit können diese Vorrichtungen durch Konvektionsströme und durch
Wärme beeinflußt werden, die in die Vorrichtung über ihre Befestigung geleitet wird,
ferner auch durch Strahlungswärme aus der Umgebung.
-
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine dielektrische
Meßvorarichtung vorgesehen, die drei Signale verwendet, deren eines ein charakteristisches
Merkmal, z.B. die Amplitude oder Phasenlage des elektrischen Stromes durch die Sondenelektroden
anzeigt, deren anderes aus einer Abfühleinrichtung abgeleitet wird, die auf die
vom Material emittierte Infrarotstrahlung anspricht, und deren drittes Signal die
Einwirkung
der Umgebungstemperaturbedingungen auf der Infrarotstrahlungsäbfühleinrichtung anzeigt.
Des weiteren wird ein Gerät angegeben das die Information, die in den drei Signalen
vorhanden ist, zur Durchführung einer Messung der gewünschten Materialeigenschaft
verwendet, die weitgehend unabhängig von Temperaturänderungen im Material ist. Die
Erfindung gibt ferner eine Infrarotstrahlungstemperaturmeßeinrichtung und -schaltung
an, die insbesondere für die Anforderungen einer dielektrischen Meßvorrichtung zur
Messung von durchlaufenden Schichten, Bögen oder Bahnen geeignet ist, wobei ein
Meßkopf verwendet wird, der über die Breite der Bahn und in eine Stellung, in der
er auf der Bahn aufliegt, bzw. in eine Stellung, in der er von der Bahn einen Abstand
aufweist, verschiebbar ist. Bei einer solchen Anwendung unterziehen die Gegenstände,
die vorübergehend von der Abfühleinrichtung betrachtet werden, die empfindlichen
Elemente sehr raschen Änderungen im Pegel der aufgenommenen Strahlung, wobei erforderlich
ist, daß die Abfühleinrichtung mit einer Zeitkonstanten in der Größenordnung von
wenigen Sekunden anstatt Minuten arbeitet. In ähnlicher Weise sind die Umgebungstemperaturen
raschen Änderungen und worfen, wobei erforderlich ist, daß jede Temperaturkompensationsanordnung
ähnlich kurze Zeitkonstanten aufweist.
-
Ziel der Erfindung ist eine verbesserte Einrichtung zur quantitativen
Bestimmung einer sich ändernden Materialeigenschaft, die eine Funktion der dielektrischen
Eigenschaften ist, wobei die Bestimmung mit Hilfe einer Vorrichtung vorgenommen
werden kann, die vollständig außerhalb des Materiales liegt, und unabhängig von
jedem Temperaturunterschied zwischen dem Material und der Umgebung ist.
-
Ziel der Erfindung ist auch ein Gerät nach Art einer Dielektrizitätsmeßvorrichtung,
die mit erhöhter Genaugiekeit bei der Messung kontinuierlich geformter Gegenstände
in WärDeaustausch-, Wärmeerzeugungs- oder Wärmeabsorbierungsvorgängen arbeitet.
-
Weiteres Ziel der Erfindung ist eine Einrichtung mit einer neuartigen
Anordnung von Mehrfachabfühleinrichtungen und einem Rechner, wobei eine Messung
der scheinbaren dielektrischen Eigenschaften systematisch mit einer Messung der
Materialtemperatur an sich kombiniert wird,die weitgehend unabhängig von den unterschiedlichen
Umgebungstemperaturen und Wärmeübergängen ist, denen die Abfühleinrichtungen ausgesetzt
sind.
-
Des weiteren ist Ziel der Erfindung eine exaktere Feuchtigkeitsmeßvorrichtung
zur Messung von festen Stoffen, die auf einen gewünschten Feuchtigkeitsgehalt bei
erhöhten Temperaturen getrocknet werden.
-
Desgleichen bezieht sich die Erfindung auf eine genauere temperaturkompensierte
dielektrische Meßvorrichtung, die @@@@ dem Abtastprinzip oder nach dem Prinzip der
Normierung nach der Abnahme von der Bahn zur Messung von schicht- bzw. bahnförmigen
Materialien bei Temperaturen bewirkt, die von den Umgebungstemperaturen abweichen.
-
Die Erfindung bt auch zum Ziel eine verbesserte Feuchtigkeits meßvorrichtungfür
eine kontinuierlich ausgebildete. Papierschicht bzw. Papierbahn, die aus einem Arbeitstrockner
austritt, in welchem die Temperatur der Schicht bzw. Bahn erhöht ist.
-
Schließlich ist auch Ziel der Erfindung eine verbesserte Infrarotstrahlungsanzeigevorrichtung
und -schaltung, die insbesondere für die Anforderungen einer Kombination aus dielektrischer
Sonde und Infrarotstrahlungsabfühleinrichtung zur Messung von Materialien geeignet
ist.
-
Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand
von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Figuren zeigen: Fig.l eine perspektivische
Ansicht eines Anschlußendes einer Papierherstellmaschine mit einer erfindungsbemäßen
Meßvorrichtung, Fig. 2 eine Schnittansicht durch die Infrarotstrahlungsabfühleinrichtung
nach Fig. 1, wobei der Schnitt im rechten Winkel zur optischen Achse geführt ist,
Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 der Fig. 2, Fig. 4 ein Blockdiagramm, das
die grundsätzliche Ausbildung einer Ausführungsform eines Gerätes nach der Erfindung
angibt, Fig. 5 ein vollständigeres Blockdiagramm des Gerätes nach Fig. 4 einschließlich
einer speziellen Anordnung des Rechners, Fig. 6 ein Bockdiagramm, das eine Einrichtung
mit einer weiteren spezifischen Anordnung des Rechners nach Fig. 4 zeigt, und
Fig.
7 teilweise schematisch und teilweise in Form eines Schaltdiagrammes die Ansicht
eines bevorzugten Ausführungsbeispiel-es des Gerätes nach Fig. 6.
-
Die Erfindung wird in Verbindung mit einem Gerät zur Messung und/oder
Steuerung des Feuchtigkeitsgehaltes einer durchlaufenden Papierbahn, die am Ausgang
einer Papierherstellmaschine erhalten wird, beschrieben und dargestellt. Nach Figur
1 tritt die durchlaufende Bahn 10 aus einem Trockner aus, der eine Vielzahl von
Walzen, z. B. 12 und 14 enthält. Die Trocknerwalzen werden mit Hilfe von Frischdampf
beheizt, der innen über Leitungen, z.B. 16 zugeführt wird, wobei die beheizten Oberflächen
der Walzen die Temperatur des Papiers erhöhen und die Feuchtigkeit aus dem Papier
austreiben. Die Feuchtigkeit wird in Form von Dämpfen ausgetrieben, die kontinuierlich
aus dem Bereich der Trockner über ein entsprechendes Ventilationssystem abgeführt
werden. Letzteres kann Trockenluftdüsen, z.B.
-
18 und 20 aufweisen, die von entgegengesetzten Seiten des Trockners
durch die von benachbarten Walzen ausgebildeten Lufttaschen gerichtet sind, ferner
durch eine (nicht dargestellte) Haube über dem Trockner, wobei die Feuchtigkeit
enthaltende Zuluft aus dem Bereich des Trockners durch große Büftergebläse abgesaugt
wird.
-
Nach dem Austritt ags den Trockner wird die warme Papierbahn 10 durch
einen Kalander geführt, dessen Walzen bei 22 iit Dampf beheizt werden, der durch
Leitungen bei 24 zugeführt wird, wobei das Papier eine entsprechende Oberflächenbearbeitung
erhält. Das kalandrierts Papier wird anschließend zu
großen Walzen
bei 26 aufgewickelt, die für den Weitertransport zum Verbraucher gestapelt werden.
-
Es ist sehr erwünscht, daß das Papier auf die Rolle in gleichförmigem
Zustand sowohl in bezug auf das Grundgewicht als auch den Feuchtigkeitsgehalt aufgewickelt
wird; eine solche Gleichförmigkeit soll über die ganze Breite der Bahn vorhanden
sein. Um diese entscheidenden veränderlichen Größen zu messen, wird eine Meßvorrichtung
an einer entsprechenden Prüfstelle angeordnet, im allgemeinen zwischen dem Ausgang
des Kalanders und der Aufwickelrolle. Die Meßvorrichtung weist üblicherweise einen
Meßkopf 28 auf, der oberhalb der Bahn angeordnet und so befestigt ist, daß eine
Hin- und Herbewegung nach vorwärts und rückwärts über die Breite der Bahn möglich
ist. Wie dargestellt, wandert der Meßkopf 28 auf entsprechenden Führungsrohren 30
vor und zurück. Die Führungsrohre ihrerseits sind in einem rechteckförmigen Rahmen
aufgenommen, der senkrecht stehende Ständer 32 und 34 besitzt, die durch zwei I-räger
36 und 38 aus Stahl verbunden sind.
-
Normalerweise weist der Meßkopf 28 eine Betastrahlungs-Anzeigevorrichtung
auf, die Betastrahlung durch die Bahn hindurch aufnimmt. In diesem Falle wird eine
radioaktive Quelle einer Betastrahlung unterhalb der Bahn in einem Gehäuse (nicht
dargestellt) ähnlich dem Meßkopf 28 geführt und nach rückwärts und vorwärts in bezug
auf ein zweites Paar von Führungsrohren 40 und 42 unterhalb der Bahn 10 bewegt.
Die Gehäuse für die radioaktive Quelle und die Anzeigevorrichtung sind in vertikaler
Richtung außgerichtet und können vorwärts und rückwärts
über die
Breite der Bahn 10 abtasten, um das Grundgewicht zu messen. Die mechanische Anordnung
wird von einem Querantriebsmotor 44 angetrieben.
-
Die Anordnung nach vorliegender Erfindung ist in einer Feuchtigkeitsmeßvorrichtung
vorgesehen, die Abfühlelemente aufweist, welche von dem Anzeigekopf 28 der Betastrahlungsmeßvorrichtung
aufgenommen werden. DaB primäre Abfühlelement ist eine dielektrische Meßsonde 46.
Die Sonde ist oberhalb der Bahn 10 auf einem entsprechenden im Behälter 48 aufgenommenen
Ausgleich- und Abhebmechanismus abgestützt, der an zwei U-förmigen Aufhängestäben
50 befestigt ist, die mit dem Anzeigekopf 28 verbunden sind. Durch entsprechende
Einstellung der vertikalen Stellung des Behälters 48 auf den Aufhängestäben wird
die Sonde in Verbindung mit einer Einstellung des A<$eichmechanismus so a @ ordnet,
daß sie in schwebendem Eingriff mit der Bahn 10 aufliegt. Auf diese Weise werden
die Elektroden, die in der Sonde angeordnet sind, in elektrischen Eingriff mit dem
Papier gebracht, wobei die Berührung abet @@ leicht ist, daß dadurch keine Markierung
oder Beschädigung.
-
Papiers auftreten kann.
-
Durch einen exakten Eichvorgang wird eine Admittanzcharakteristik
der elektrischen Sonden- Papier- Kopplung in bezug zum Feuchtigkeitsgehalt des Papieres
unter der Sonde gesetzt. Wegen der vielen Veränderlichen bei den Schidtbildungs-,
Trocknungs-und Kalandriervorgängen wird die vorzugsweise gleichförmige Bahn einer
Änderung sowohl in der Maschinenrichtung als auch über die Breite der Maschine unterworfen.
Eine solche Veränderung tritt nicht nur im Grundgewicht und im Feuchtigkeitsgehalt
der Bahn, sondern auch in ihrer Temperatur auf.
-
Typischerweise weist die Papierbahn im Meßbereich eine mittlere oder
Nenntemperatur von etwa 380 C bis 820 C mit einer normalen Änderung von etwa + 100
C von der mittleren Nenntemperatur auf. Der Papierhersteller betrachtet als Ziel
die Steuerung des Feuchtigkeitsgehaltes auf einen Wert, der so bemesen ist, daß
dann, wenn das Papier in einer Atmosphäre von etwa 24 C und 45 ffi relativer Feuchtigkeit
im Gleichgewicht ist,die Feuchtigkeit im Papier etwa 5 1/2 % des Papiergewichtes
ausmacht. Die elektrischen Admittanzmesßungen, auf die er sich stützt, um dies zu
erreichen, sind nicht direkt eine Funktion des Feuchtigkeitsgehaltes, sondern hängen
von den Zwischenparametern der komplexen Dielektrizitätskonstanten des Papieres
ab, die, wie weiter oben ausgeführt, eine sich ändernde Funktion der Papiertemperatur
sind.
-
Eine exakte Messung erfordert somit, daß in das Feuchtigkeitsmeßsystem
eine Abfühleinrichtung eingebaut wird ! die auf die Temperatur des Papieres anspricht;
da das Papier ein massives Material ist, muß die Temperaturabfühleinrichtung in
einer Umgebung außerhalb des Papieres angeordnet sein. Da die Papiertemperatur sich
von Punkt zu Punkt über die Breite der Bahn wie auch in Längsrichtung der Bahn wesentlich
ändert, ist es wichtig, daß die Temperaturmessung auf den Teil des Papieres beschränkt
bleibt, der durch die Feuchtigkeitsmeßsonde 46 gemssen wird. Damit soll die Temperaturabfühleinrichtung
über die Breite des Papieres in Längsrichtung zur Sonde 46 abtasten.
-
Der Meßkopf und andere verschiebbare Bauteile, die der Sonde zugeordnet
sind, werden Umgebungstemperaturen ausgesetzt, die
nicht nur von
Zeit zu Zeit einer Änderung unterworfen, sondern auch in der Lage sind, daß sie
wesentlich von der zu messenden Temperatur des Papieres an sich abweichen. Besonders
hohe Temperaturänderungen und Temperaturunterschiede werden angetroffen, nachdem
entweder die durchwandernde Bahn oder der Meßkopf an dem normalen Meßbereich für
eine bestimmte Zeitdauer lang gefehlt hat. Das Gestell für den Querverschiebungsmechanismus
für die Meßvorrichtung verläuft in einigem Abstand oberhalb der Kante der Bahn am
entfernten Ende, damit der Meßkopf und die Sonde periodisch zu Zwecken der Normierung
abgenommen werden können. Im Falle der Feuchtigkeitsmeßvorrichtung beispielsweise
ist es erwünscht, gelegentlich eine Normiereinstellung auf die elektronische Schaltung
des Gerätes durchzuführen, wobei das Papier von der Nähe der Sondenelektroden entfernt
wird. Durch das Abnehmen wird die Meßkopfanordnung Temperaturbedingungen unterworfen,
die völlig verschieden von denen sind, die über der erwärmten Papierbahn angetroffen
werden, und bewirkt, daß die Teile der Anordnung verhältnismäßig starken Wärmeübergängen
ausgesetzt werden, wenn die Anordnung auf der Bahn zurückverschoben wird, damit
die Messung wieder aufgenommen wird.
-
Fig.l zeigt einen Ausschnitt 52 aus einem Teil des Anzeigekopfes 28
und der Haltevorrichtung dafür. Dabei wird eine Infrarotstrahlungssbfühleinrichtung
54 sichtbar, die auf einem entsprechenden Arm 56 befestigt ist, welcher an dem Anzeigekopf
28 angebracht und von diesem aufgenommen wird. DS Infrarotstrahlungsabfühleinri<tung
ro ts trahlungsabfühl einri@@tung wird dabei oberhalb der Papierbahn im Abstand
dazu versetzt geführt, so daß ein Teil der durchlaufenden Bahn betrachtet werden
kann, der direkt bahnabwärts zur Sonde 56 und damit ausgerichtet liegt. Die Abfühleinrichtung
54
ist in die Feuchtigkeitsmeßanordnun& gemäß der Erfindung eingeschaltet, damit
eine quantitative Anzeige von Änderungen in der Papiertemperatur an sich mit einer
wesent'-lichen Unempfindlichkeit gegenüber Änderungen in der Umgebung temperatur
der Abfühleinrichtung erreicht wird.
-
Bei der dargestellten Anordnung ist die Sonde 45 eine Streufeldsonde,
die mit dem Material von nur einer Seite gekoppelt ist.
-
Bei einer derartigen Anordnung ist es vorteilhaft, die Infrarotstrahlungsabfühleinrichtung
auf der gleichen Seite des Materiales anzubringen, da dort allgemein eine Temperaturdifferenz
von bis zu etwa 20 C zwischen den beiden Seiten der Bahn besteht. Zufriedenstellende
Resultate können üblieherweise jedoch mit der Sonde und der Infrarotstrahlungsabfühleinrichtung
auf entgegengesetzten Seiten der Bahn zielt werden, wobei die Sonde und / oder die
Infrarotstrahlungsabfühleinrichtung entweder oberhalb oder unterhalb der Bahn und
entweder bahnaufwärts, bahnabwärts oder in unmittelbarer Nähe voneinander entsprechend
dem zur Verfügung stehenden freien Raum im Bearbeitungssystem angeordnet sind. Die
Sondenanordnung kann getrennte Elektroden oder Gruppen von Elektroden auf beiden
Seiten des gemessenen Material es verwenden, wobei das Material zwischen den Elektroden
durchläuft. Während der Meßkopf, der die Sonde aufnimmt, als ein Betastrahlungsmeßanzeigevorrichtungegehäuse
oder Strahlungsquellengehäuse beschrieben und dargestellt ist, kann der Meßkopf
offensichtlich eine beliebige unabhängige Anordnung oder ein Zusatz zu einer anderen
Art von Meßvorrichtung sein.
-
Die Einzelheiten für eine bevorzugte Ausführungsform der Abfühleinrichtung
54 sind in den Figuren 2 und 3 gezeigt. Diese Anordnung weist ein zylindrisches
Metallgehäuse 60 mit einem einstückigen Befestigungsflansch 62 auf; das Gehäuse
ist dabei von einem wärmeisolierenden Mantel 64 aus Kunststoffschaum umgeben. Im
Inneren des Gehäuses 60 ist eine abgedichtete Kammer vorgesehen, die am oberen Ende
durch einen Metalldeckel 66 und am unteren Ende durch ein für Infrarotstrahlung
transparentes Fenster 68 abgeschlossen ist, das aus einer Schicht aus dünnem, kräftigen,
Kunststoffmaterial, z.B. Polyesterfilm, wie er als Nylar" vertrieben wird, besteht.
In der abgedichteten Kammer ist in axialer Richtung oberhalb des Fensters 68 eine
Infrarotstrahlungsanzeigevorrichtung mit einem Thermistor 70 und einer Infrarotstrahlungsabsorptionsvorrichtung,
die aus einer Scheibe 72 aus geschwärzter Silberfolie besteht, angeordnet. Dae-Lbermistorelement
ist in eine abgedichtete Glaskapsel eingesetzt, die ihrerseits mit der Absorptionsscheibe
mit Hilfe eines entsprechenden Epoxydklebers verk @ ist.
-
Die Strahlungsabsorptionsscheibe ihrerseits ist an zwe parallelen
Kupferdrähten 74 und 76 aufgehängt, die verhältnismäßig dünnsind, so daß sie mbglichst
wenig wärmeleitend sind.
-
Am linken Ende ist jeder Draht bei 74 mit einer Metallöse 78 in einem
Phenolanschlußbrett 80 verlötet, das in einer rinnen-60 förmigen Aussparung 82 im
äußeren Teil des Gehäuses/über Schrauben 84 befestigt ist. Der Boden der Aussparug
82 enthält zwei übergroß gebohrte Öffnungen 86, durch die die Drähte durch die Metallwandung
des Gehäuses geführt werden, ohne daß
das Gehäuse berührt wird.
Am rechten Ende ist jeder Draht 74 und 76 durch ein axiales och im mittleren Zweiter
eines Durchführungsisolators, z.B. bei 88 geführt. Beim Zusammenbau wird der Durchhang
eines jeden Drahtes beseitigt, ohne daß der Draht straff gespannt wird, und der
Draht wird dann in seiner Stellung verlötet.
-
Die Aufhängdrähte 74 und 76 können den Thermistor 70 mit einer Zuführleitung
90 verbinden und dementsprechend werden die Thermistorleitungen 92 und 94 mit den
Aufhängdrähten in der Nähe der Anzeigevorrichtung verlötet. Die Strahlungsabsorptionsscheibe
72 ist an ihren entgegengesetzten Seiten mit den entsprechenden Aufhängdrähten 74
und 76 mit Hilfe eines Epoxydklebers, z.B. bei 96 befestigt, wobei sehr darauf zu
achten ist, daß die Aufhängdrähte im Abstand von der Absorptionsscheibe durch die
Epoxydkomponente gehalten werden, wodurch die Zeitungen von der Scheibe elektrisch
isoliert werden.
-
Am oberen Teil des Gehäuses 60 ist der Innendurchmesser vergrößert,
damit ein metallüberzogener Glasspiegel 98, z.B. in Form eines Kugelsegmentes, eingesetzt
werden kann, der einem idealen Paraboloid nahekommt. Um den äußeren Umfang herum
ist der Spiegel mit dem Gehäuse 60 mit Hilfe eines entsprechenden Klebstoffes, z.B.
bei 100, und ferner auch mit seinem Scheitel 102 an der oberen Abdeckung 66 verbunden.
Der Spiegel 98 kann Infrarotstrahlung, die aus der Bahn 10 (Fig. 1) austritt und
durch das Fenster 68 eintritt, auf die Strahlungsabsorptionsscheibe 72 fokussieren.
Die Scheibe ist in unmittelbarer Nähe und in Wärmeaustauschbeziehung zu dem Thermistor
70 angebracht. Die die Strahlungsanzeigevorrichtung aufnehmende
abgedichtete
Kammer ist gegen die äußere Umgebung durch einen Totluftraum wärmeisoliert, der
von dem Fenster 68 und einem zweiten ähnlichen Fenster 104 umschlossen ist, welches
an einer Verlängerung 106 des Gehäuses 60 befestigt und über Schrauben bei 108 damit
verbunden ist Das Penster 68 ist mit einem ringförmigen Abstandsstück 110 verbunden,
welches zwischen dem Gehäuse 60 und seiner Verlängerung 106 eingeklemmt ist, wobei
entsprechende synthetische Gummidichtungen, wie bei 112, auf beiden Seiten des Abstandstückes
vorgesehen sind. In ähnlicher Weise ist das äußere Fenster 104 mit einer ringförmi
gen Abdeckscheibe 114 verbunden, welche mit der Gehäuseverlängerung über Schrauben,
wie bei 116, befestigt ist. Eine Dichtung 118 aus synthetischem Gummi ist zwischen
Fenster und Gehäuseverlängerung eingesetzt.
-
Zusätzlich zu der Infrarotstrahlung aus der Bahn 10, die auf der Strahlungsanzeigevorrichtung
abgebildet wird, nimmt letztere eine Infrarotstrahlung aus dem Gehäuse und zugeordneten
Teilen aufgrund der Umgebungstemperaturen auf. Wärme wird auch über die Aufhängdräbte
74 und 76 in die Anzeigevorrichtung hinein- und aus dieser abgeleitet. Um die Wirkung
dieser sich ändernden Umgebungstemperaturbedingungen auf dem Infrarotstrahab lungsabfühlthermistor
70 anzuzeigen, ist eine lemperatut£hleinrichtung, die einen Thermistor 120 enthält,
auf der Oberfläche des Glavreflektors ß in geringem Abstand von dessen Kante befestigt.
Der Abstand wird so geählt, daß er einen Befestigungspunkt mit einer Wärmeübergangscharakteristik
festlegt, die den mittleren Einfluß der Gehäusetemperaturänderungen auf den Anzeigethermistor
70 anpaßt. Der Thermistor 120 ist mit
der Oberfläche des Reflektors
mit Hilfe eines Epoxydklebers verbunden. Eine der Leitungen 122 des Temperaturabfühltherrnistors
ist mit dem Aufhängdraht 74 verlötet. Die andere Leitung wird getrennt durch einen
Durchführungsisolator 124 nach außen geführt und mit dem Zuführkabel 90 verbunden.
Das Kabel 90 nimmt auch einen Erdungsdraht 126 auf, der an das Gehäuse 60 über eine
Erdungsschraube 128 angeschlossen ist.
-
Eine schematische Ausführungsform gemäß der Erfindung ist in Fig.
4 gezeigt, in der die Sonde 46 zwei im Abstand voneinander angeordnete Elektroden
130 und 132 aufnimmt, die vorzugsweise in Berührung mit dem zu messenden Material
10 stehen.
-
Diese Elektroden koppeln elektrisch eine entsprechende Energiequelle
134 und eine Anzeigevorrichtung 136 mit dem Material.
-
Die Anzeigevorrichtung weist eine entsprechende Einrichtung auf, die
auf eine elektrische Admittanzcharakteristik der Material- Sonden- Kopplung anspricht,
damit ein Ausgangssignal auf der Leitung 138 erzeugt wird, das den Wert der gesuchten
Materialeigenschaft angibt. Eine Infrarotstrahlungsabfühlein richtung 140 ist im
Abstand von dem Material 10 befestigt, damit die Infrarotstrahlung aus dem Material
angezeigt wird. In der bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung weist die
Strahlungsanzeigevorrichtung den Thermistor 70 (Fig. 2) und eine zugeordnete Schaltung
zur Erzeugung eines Signal es auf der Leitung 142 auf, das die Temperatur des Materiales
angibt, wie sie durch die Menge an Infrarotstrahlung festgelegt wird, welche auf
die Strahlungsabfühleinrichtung 140 auftrifft. Eine Temperaturabfühleinrichtung
144, die in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung den-Thermistor
120 (Fig. 2)
und dessen zugeordnete Schaltung enthält, erzeugt
ein Signal auf der Leistung 146, das die Umgebungstemperatureinflüsse auf die Strahlungsanzeigevorrichtung
140 anzeigt. Ein Rechner 148 nimmt die Signale aus der mit der Sonde gekoppelten
Anzeigevorrichtung, der Strahlungsabfühleinrichtung und der Temperaturabfühleinrichtung
auf und erzeugt ein Ausgangs signal auf der Leitung 150, das dem quantitativen Wert
der gemessenen Material eigenschaft unabhängig von Temperaturänderungen im Material
anzeigt.
-
Der mit 148 in Fig. 4 bezeichnete Rechner kann in vielfältiger Weise
ausgebildet sein. Fig. 5 zeigt eine Anordnung, bei der eine Anzeigevorrichtung 136a
ein elektrisches Ausgangssignal auf der Leitung 138a erzeugt, das von einem Servosystem
152 aufgenommen und verarbeitet wird, damit ein mechanisches Ausgangssignal, wie
es durch die gestrichelte Linie 138b angedeutet ist, erzeugt wird. Dieses mechanische
Ausgangssignal ändert sich in Abhängigkeit von Änderungen in der Bigenschaft des
zu messenden Materiales, ist jedoch auch einer Veränderung aufgrund von Temperaturänderungen
im Material unterworfen.
-
Dem entsprechend wird das Ausgangasignal von einer Kompensationsanordnung
154 mit zwei Abschnitten 154a und 154b verarbeitet. Der Kompensationsabschnitt 154a
nimmt das Signal auf der Leistung 142 aus der Infrarotstrahlungaabfühleinrichtung
140 auf und benutzt dieses Signal, um dem Einfluß der Materialtemperaturänderungen
auf das Ausgangssignal 138b entgegenzuwirken. Der Kompensationsabschnitt 154b nimmt
das Signal auf der Leitung 146 aus der Umgebungstemperaturabfühleinrichtung auf
und benutzt dieses Signal, um den Einflüssen der Umgebungstemperaturänderungen auf
das Ausgangssignal 138b, wie es
von dem Kompensationsabschnitt
154a verändert wurde, entgegenzuwirken. Der gesamte Rückkopplungskreis wird durch
Anwendung des zweifach geänderten Ausgangssignales geschlossen, das durch die Stellung
eines mechanischen Bauteiles bestimmt wird, welches durch die gestrichelte Linie
138c dargestellt wird, damit der Ausgang aus einer veränderbaren Energiequelle 134a
eingestellt wird, welche die Erregerspannung in die Sondenelektroden 130 und 132
einspeist. Die Ableseanzeige wird durch die mechanische Einstellung 138d eines Zeigers
156 auf einer Meßskala 158 eines Streifen-Registriergerätes (nicht dargestellt)
ausgedrückt.
-
Eine weitere Ausführungsform der Einrichtung nach Fig. 4 ist in Figur
6 dargestellt. Bei dieser Anordnung wird das Ausgangssignal auf der Leitung 142
aus der Infrarotstrahlungsabfühleinrichtung 140 mit der Umgebungstemperaturabfühleinrichtung
144 verbunden. Die Teinperaturabfühleinrichtung ist in einen Stromkreis eingeschaltet,
der den Einflüssen der Umgebungstemperaturänderungen auf das Ausgangssignal 142
der Strahlung abfühleinrichtung so entgegenwirkt, daß ein Signal auf der Leistung
142a erzeugt wird, das die Materialtemperatur anzeigt und unabhangig von den Einflüssen
der Umgebungstemperatur auf die Strahlungsabfühleinrichtung 140 ist. Das Ansigesignal
für die Materialtemperatur wird in einer entsprechenden Kompensationssdaltung 160
mit dem die Materialeigenschaft anzeigenden nicht kompensierten Signal auf der Leistung
138b kombiniert, das von der dielektrischen Anzeigevorrichtung 136b bereitgestellt
wird. Der quantitative Wert der gemessenen Eigenschaft wird durch ein analoges Ausgangssignal
auf der Leistung 150
angezeigt, das Ausgangssignal ist dabei unabhängig
von Änderungen in der Temperatur des Materiales.
-
Ein bevorzugis Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ist in Fig.
7 dargestellt, die im einzelnen eine Einrichtung nach der Anordnung nach Figur 6
wiedergibt. In diesem Beispiel erzeugt die Energiequelle eine Spannung, die mit
zwei diskreten und weitgehend verschiedenen Frequenzen oszilliert.
-
Die hohe Frequenz wird von einem HF-Oszillator 162 erzeugt, die niedrige
Frequenz von einem NF-Oszillator 164, der an ein Potentionmeter 166 gelegt ist.
-
Die Spannung aus dem HF-Oszillator und ein Teil der Spannung aus dem
NF-Oszillator, die von der beweglichen Anzapfung 166a des Potentiometers 166 abgenommen
wird, werden in entsprechende Kombinierschaltungen 167 eingespeist. Ein Ausgang
dieser Kombinierschaltungen wird so über einen Phasenwandler 168 an die Sondenelektrode
130 gelegt, daß ein Wechselstrom doppelter Frequenz an die Verbindungsstelle 170,
die mit der anderen Elektrode 132 verbunden ist, geführt wird. Die Kombinierschaltungen
167 erregen auch die Leitung 172, wobei ein gleichgroßer und entgegengesetzt gerichteter
Strom an die Verbindungsstelle 170 über einen Abgleichkondensator 174 bei fehlendem
Material 10 an der Sonde geführt wird, z.B. in wenn die Sonde zu Normierzwecken
in der/Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Weise von der Bahn entfernt wird.
-
Die Verbindung 170 der Sonde und des AbgleichkondensaDrs ist an den
Eingang eines Anzeigeverstärkers 176 geführt. Wenn die
Sonde in
die Nahe des FlaterialslO gebracht wird, sind die Ströme durch die Sonde und durch
den Kondensator 174 nicht mehr im Gleichgewicht und das Potential an der Verbindungsstelle
170 versucht sich zu ändern. Dieser Tendenz wird durch den Anzeigeverstärker entgegengewirkt,
dessen Ausgang einen Stromfluß in die Verbindungastelle 170 über den Rückkopplungskondensator
178 verursacht. Der Strom aufgrund der Gegenkopplung ist gleichgroß und entgegengesetzt
dem Unsymmetriestrom, der in die vorerwähnte Verbindung fließt, so daß die Verbindung
immer auf Null-totential gehalten wird.
-
Der Ausgang 180 des Anzeigeverstärkers ergibt eine Spannung, die sich
aus zwei Spannuten mit de entsprechenden niedrigen und hoben Frequenzen zusammensetzt,
welche durch Oszillatoren 162 und 164 erzeugt werden. Die HF-Spannung wird durch
einen HF-Modulator 182 und die NF-Spannung durch einen Ny-Demodulator 184 demoduliert.
Die Ausgänge aus den beiden Demodulatoren werden in eine Servoverstärkerschaltung
186 eingespeist, die einen Nullspannungseingang aufnimmt, wenn das Verhältnis der
Spannungen aus den beiden Demodulatoren gleich eins ist. Eine Änderung dieses Verhältnisses
bewirkt, daß der Servoverstärker einen Servomotor 188 erregt, der die bewegliche
Anzapfung 166a des Potentiometers 166 antreibt. Auf diese Weise wird die NF-Erregerspannung,
die in die Sonde eingespeist wird, kontinuierlich eingestellt, so daß das konstante
Verhältnis der demodulierten Signale von eins aufrechterhalten bleibt.
-
Das Potentiometer 166 wird in der Weise verwendet, daß eine Vielzahl
von Nebenschlußwiderständen an die Anzapfungen des Potentiometers angeschlossen
werden, wobei die von der
Anzapfung 166a erhaltene Spannung eine
nichtlineare Funktion der Stellung der Anzapfung längs des Potentiometers ist. Durch
Einstellung der Werte der Nebenschlußwiderstände wird diese Funktion so geformt,
daß die Verschiebung der Potentiometeranzapfung 166a eine lineare Funktion des Feuchtigkeitsgehaltes
im Material bei einer vorbestimmten Nenntemperatur ist.
-
Der Servomotor 188 treibt auch den Abgreiferarm 190a eines Potentiometers
190 an, das an eine Konstantspannungsquelle angeschlossen ist, die durch die Batterie
192 dargestellt wird. Damit ergibt die Anzapfung l90a ein Millivoltsignal in bezug
auf eine Ausgangsklemme 194, das eine lineare Funktion des Feuchtigkeitsgehaltes
im Papier ist, vorausgesetzt, daß die Temperatur des Papieres auf ein ein festen
Nenntemperaturwert bleibt.
-
Damit das Millivoltausgsngssignal genau den Feuchtigkeitsgehalt anzeigen
kann, wenn die Temperatur des Papieres von der Nenntemperatur abweicht, ist die
Anzapfung 190a an die wander Ausgangsklemme 196 in Reihe mit einer durch die Temperatura>-weichung
bedingten Nillivoltspannung geschaltet, die aus einer Brückenschaltung 198 erhalten
wird, welche den Infrarotstrahlungsabfühlthermistor 70 und den Temperaturabfühlthermistor
120 aus den Piguren 2 und 3 enthält.
-
Die Brückenschaltung 198 wird durch eine entsprechende Konstantspannungs
auelle, s. B. die Batterie 200, erregt. Der Thermistor 70 ist an die Spannungsquelle
in Reihe mit einem Widerstand 201 gelegt; der Thermistor 120 ist mit der Spannungsquelle
in
Reihe mit einem Widerstand 202 verbunden. Zwei Widerstände 204 und 206 sind ebenfalls
in Reihe an die Batterie gelegt.
-
Die Verbindung 208 der Widerstände 204 und 206 ergibt eine Bezugspotentialstelle
in der Brückenschaltung.
-
Der Wert des Widerstandes 201 wird so eingestellt, daß die Verbindung
210 des Widerstandes 201 und des Thermistors 70 auf Bezugstemperatur liegt, die
etwa der mittleren Temperatur des Materiales entspricht, wenn die Maschine im normalen
Betrieb arbeitet. Der Wert des Widerstandes 202 wird so eingestellt, daß die Verbindung
212 mit dem Thermistor 120 auf Bezugspotential liegt, wenn das Gehäuse 60 (Pigur
2) und benachbarte Teile auf einer mittleren Betriebstemperatur liegen, wobei die
Anordnung aus Anzeigekopf und Sonde über der Bahn in der Meßstellung nach Figur
1 angeordnet ist.
-
Wenn die Bahntemperatur von der ausgewählten' Nenntemperatur abweicht,
ergibt die Potentialdifferenz zwischen der Verbindungsstelle 208 und der Verbindungsstelle
20 ein Millivoltsignal, das die Temperaturabweichung, wie sie von dem Infrarotstrahlungsabfühlthermistor
70 festgestellt wird, anzeigt, obgleich das Signal von den Umgebungstemperaturbedingungen
beeinflußt wird. Wenn die Umgebungstemperatur von dem Nenn-oder Mittelwert abweicht,
ergibt die Potentialdifferenz zwischen den Verbindungsstellen 208 und 212 ein Millivolsignal,
das proportional der Abweichung ist, die an den in Reihe he geschalteten Spannungsteilerwiderständen
214 und 216 auftritt.
-
Das Verhältnis der beiden Widerstände 214 und 216 wird in Abhängigkeit
von dem Verhältnis der Empfindlichkeit des Thermistors 70 gegen die Infrarotstrahlung
aus der Bahn und die Gehäusetemperatur, wie sie vom Thermistor 120 angezeigt wird,
eingestellt, wobei auch Jeder Unterschied in den charakteristischen Eigenschaften
der beiden Thermistoren berücksichtigt wird. Der Ausgang der Brückensdaltung 198
wird zwischen den Verbindungsstellen 210 und 218 abgenommen und die absolute Nillivoltspanne
dieses Ausganges wird an den Millivoltausgang des Ablesepotentiometers 190 angepaßt,
indeider Ausgang der Konstantenspannungsquelle 200 eingestellt wird, die Energie
in die Temperaturbrckenschaltung einspeist.
-
Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit einer Feuchtigkeitsmeßvorrichtung
für eine Papierbahn erläutert und bei der Auslegung einer ganz speziellen Einrichtung
wurde eine möglichst einfache und wirtschaftliche Abfühl- und Rechenanordnung mit
zufriedenstellender Leistung angegeben; der Fachmann ist jedoch ohne erfinderisches
Zutun in der Lage, im Rahmen vorliegender Erfindung Änderungen vorzunehmen.
-
Die Erfindung ist einfach anwendbar in Verbindung mit dielektrischen
Materialmeßvorrichtungen, die im Prinzip etwas von den hier beschriebenen abweichen,
z. B. für eine mit Phasenverschiebung arbeitende dielektrische Neßvorrichtung. Andere
Änderungen gemäß der Erfindung können in dielektrischen Materialmeßvoricbtungen
vorgesehen werden, welche mit Mikrowellen arbeiten, wie dies in der US-Patentschrift
3.034.046 ausgeführt ist, in der die Sonde z.B. ein geschlitztes Wellenleiterbauteil
aufweist, das durch im Abstand angeordnete
Elektroden geeigneter
Auslegung zur Einspeisung von HF-Energie abgeschlossen ist. Es können auch andere
Formen von Infrarotstrahlungsabfühleinrichtungen und Temperaturabfühleinrichtungen
verwendet werden, falls dies erforderlich oder zweckmäßig erscheint.
-
Wenn es erwünscht ist, kani ie Genauigkeit der Strahlungsabfühleinrichtung
wesentlich dadurch erhöht werden, daß die Rechneranordnung viel komplizierter und
aufwendiger gebaut wird, z.B. als eine Anordnung, die den Ausgang der Temperaturabfühleinrichtung
zur Steuerung einer automatischen Aufheizvorrichtung verwendet, damit die Gehäusetemperatur
der Strahlungsabfühlein richtung auf einem konstanten Wert gehalten wird. Es ist
auch nicht notwendig, daß die Strahlungsabfühleinrichtung und die Temperaturabfühleinrichtung
getrennte Elemente sind. Beispielsweise ist es möglich, eine Zerhackeranordnung
zu verwenden, die abwechselnd Infrarotstrahlung gegen eine einzige Abfühleinrichtung
blockiert oder diese Strahlung durchläßt, wobei dann abwechselnd ein Materialtemperaturausgangssignal
erhalten wird, wenn die Vorrichtung in ihrer beleuchteten Stellung steht, und ein
Umgebungstemperaturausgangssignal auftritt, wenn die Vorrichtung abgedunkelt ist.